Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp gián tiếp

1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hoá dây truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu được, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Nó quyết định đến năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi nhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng khi hoà nhập vào môi trường cạnh tranh quốc tế. Nước ta là một nước nông nghiệp, quanh năm đều có những sản phẩm nông sản. Ngoài việc không ngừng tăng về mặt số lượng của nông sản mà việc nâng cao chất lượng nông sản cũng đang được Đảng và Nhà nước ta rất quan tâm. Vì vậy việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp là rất quan trọng. Đặc biệt là trong khâu bảo quản sau thu hoạch, trong đó quá trình sấy để bảo quản nông sản rất được quan tâm. Nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió là những thông số rất quan trọng trong quá sấy. Nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nông sản. Ở nước ta, việc sấy nông sản đã được tiến hành từ xa xưa nhằm bảo quản nông sản được lâu hơn, nhưng công việc này chủ yếu dựa vào thiên nhiên là chính. Việc nhận biết đặc tính sấy của nông sản chủ yếu là do kinh nghiệm của người thực hiện sấy. Những năm gần đây đã có những phòng thí nghiệm sấy được xây dựng nhằm khảo nghiệm đặc tính sấy của nông sản. Một trong những yếu tố quan trọng tác động đến đặc tính sấy của nông sản là tốc độ gió thổi vào nông sản. Vì vậy việc điều chỉnh tốc độ gió có một ý nghĩa quan trọng và nó đòi hỏi cần phải có một giải pháp điều chỉnh tốc độ chính xác. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ quạt gió để thay đổi tốc độ gió thổi vào nông sản đang được ứng dụng rất phổ biến. Hiện nay cùng với sự phát triển kỹ thuật vi điện tử, công nghệ thông tin là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong sản xuất công 2 nghiệp tự động hoá quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những vấn đề quang trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Gần đây loại động cơ này được sử dụng rất rộng rãi do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác. Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và mỗi một phương pháp lại có nhưng ưu điểm riêng. Đối với loại động cơ không đồng bộ roto lồng sóc một xu hướng điều khiển thông dụng được dùng nhiều nhất là điều khiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần). Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần là phương pháp hiện đại cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trơn, rộng và hiệu quả. Ưu điểm này đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy. Được sự phân công của bộ môn điện, với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Văn Đường, cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn đề tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp gián tiếp” đã hoàn thành. Do thời gian dành cho đề tài có hạn, khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. 2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu về mặt lý thuyết hệ thống điều khiển tốc độ quay và biến tần. - Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha bằng biến tần áp. - Xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió bằng biến tần áp của hệ thống sấy nông sản. - Thiết kế và lắp ráp được mạch. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều trong nước và trên thế giới Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều thì ta tìm hiểu về động cơ không đồng bộ. 1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp và chiếm tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện. Trước đây các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ rất nhỏ do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Trong thời gian gần đây với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử, động cơ không đồng bộ đã được khai thác triệt để các ưu điểm của nó và dần dần thay thế cho động cơ điện một chiều trong các hệ truyền động. hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần stator và rotor. Phần cảm (stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách điện với lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dây quấn và rotor lồng sóc. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có kết cấu giống như dây quấn stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồng bộ rotor 4 dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác với dây quấn stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm được nối với nhau bằng vòng ngắn mạch. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi ta đưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ không đồng bộ thì trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1. p fn 11 = trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường này sẽ quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứng e21. Khi dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dòng điện I2. Từ thông do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo nên đó là từ thông khe hở không khí giữa stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thông này và dòng điện rotor tạo ra mômen quay Mq. Nếu mômen Mq > Mc thì roto sẽ quay (Mc là mômen cản). Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n1, ví khi n = n1 lúc đó e21 = 0; I2 = 0; Mq = 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Để đánh giá sự khác nhau giữa n và n1 ta đưa ra khái niệm về độ trượt s. 1 1 n - ns = n Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n1 độ trượt s ≈ 0. Trong chế độ động cơ 0 < n < n1 do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor với n > n1 do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưng ngược chiều từ trường n1 lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ 5 hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ có thể biiêủ diễn trên thang độ trượt như hình sau: Người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại chính là: động cơ rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồng sóc lại không được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện từ bán dẫn đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý do ấy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cách rộng rãi trong các hệ truyền động công nghiệp. Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộ Ta có phương trình cân bằng điện áp viết cho dây quấn stator: ( ). . 11 1 1 1U = -E + I r + jx (1.1) Trên dây quấn rotor: ( ),. .2 2 2 2 ,. . 2 1 ,. . . 1 2 o . . 1 o m 0 = - E - I r /s + jx E E I I I E I z = + = = − (1.2) r1 và r2’ là điện trở stator và rotor đã quy đổi về mạch stator; x1 và x2’ là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về mạch stator; Io là dòng điện từ hoá; 6 rm là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, xm là điện kháng từ hoá biểu thị sự hỗ cảm giữa stator và rotor; Từ những phương trình nêu trên ta có sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của động cơ không đồng bộ: Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ Công suất điện từ và mô men điện từ ' 2 ' dt 1 Cu1 Fe 1 2 2 ' 2 ' co dt Cu2 1 2 2 s s s I I 1 P P p p m ( ) r / P P p m ( ) r ( )/ = − − = = − = − Mô men điện từ của động cơ: 2' 21 2' 21s ' 2 2 11 s dt )x(x/s)r[(r2ππ /sprUm w PM +++== (1.3) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ω = f(M) Từ phương trình mô men của động cơ (1.3) ta xây dựng được đường đặc tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ như hình vẽ sau: ω s = 0 M Mth Mt sth n= 0 7 Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ đạt cực đại tại điểm có: 2' 21 2 1 ' 2 th )x(xr r s ++ = 2 1 th 2 ' 2 s 1 1 1 2 3U M 2 (r r (x x ) )ω = + + + th th th thth 2as s s s s )as(12MM ++ +=⇒ ( 1.4 ) với a = r1/r2. Đối với động cơ có công suất lớn r1<<x1+x2’ lúc này ta có thể bỏ qua r1 nghĩa là r1 = asth= 0 suy ra: ' 2 2 1 th th' ' 1 2 s 1 2 r 3Us M x x 2 (x x )ω= ⇒ =+ + t h t h t h s s s s 2 M M⇒ = + ( 1.5 ) 1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụng cụ, thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oát đến vài trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ 8 không đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởi động. Rôto động cơ không đồng bộ một pha thường là lồng sóc. Dây quấn làm việc được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc, còn dây quấn khởi động chỉ nối vào khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷ 85% tốc độ đồng bộ thì dùng bộ ngắt kiểu ly tâm cắt dây quấn khởi động ra khỏi lưới điện. Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi động nối vào lưới. So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, công suất của động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha, nhưng do các động cơ điện một pha có khả năng quá tải thấp nên trên thực tế, trừ động cơ điện kiểu điện dung ra, công suất của động cơ điện một pha bằng 40 ÷50% công suất động cơ điện ba pha. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấn làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sinh ra từ trường đập mạch Φ. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch như Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một pha tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều ngược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng của từ trường quay thuận nghịch đó với dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau MA và MB. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai mô men đó bằng nhau và ngược chiều nhau, do đó mô men quay tổng bằng không. 9 Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ một pha Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quay theo chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần số của sức điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận ΦA sinh ra sẽ là: ( ) ( )1 1 12B 1 1 p n - n pn n - nf = = = sf 60 60n ( 1.6 ) Còn đối vớitừ trường quay ngược ΦB thì tần số ấy sẽ là: ( ) ( ) ( )1 1 112A 1 1 p n + n 2n - n - npnf = = - 2 -s f 60 60 n ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ ( 1.7 ) ở đây (2 - s) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường ΦB. Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường ΦA máy làm việc ở chế độ động cơ điện, còn đối với từ trường ΦB, do hệ số trượt của roto đối với tử trường đó bằng 2 – s > 1, nên máy sẽ làm việc trong chế độ hãm. Ngược lại, khi 1 < s < 2 tức là khi cho roto quay theo chiều của từ trường dây quấn B thì hệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trường ΦB, máy làm việc ở chế độ động cơ, còn đối với từ trường ΦA thì ở chế độ hãm. Quy ước rằng các mô men có trị số dương khi chúng tác dụng theo chiều chiều quay của từ trường ΦA, ta sẽ được các đường cong mô men MA và 10 MB của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính mô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy. Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Để điều khiển được dòng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiên cứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc của rotor, M là mô men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnh tốc độ và mô men. Ta có phương trình đặc tính của động cơ không đồng bộ như sau: 2 ' 1 1 2 ' 2 ' 2 s 1 2 1 2 m U pr /sM 2πf [(r r /s) (x x ) = + + + ( 1.8 ) Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u1, điều chỉnh điện trở mạch rotor (r2), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor… Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và mỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: 11 a. Điều chỉnh điện áp đặt vào stator của động cơ Từ biểu thức (1.8) mô men của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào stator do đó ta có thể điều chỉnh được mô men quay và tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong đó giữ nguyên tần số nguồn cấp. Ưu điểm của phương pháp này là nó thích hợp với trường hợp mô men tải là hàm tăng của tốc độ, tuy nhiên nó lại không thích hợp với loại động cơ rotor lồng sóc vì sth của loại động cơ này là bé. Khi thực hiện điều chỉnh đối với động cơ rotor dây quấn thì cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mô men. b. Điều khiển công suất trượt mạch rotor Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs = sPđt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Ở các hệ thống truyền động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng. Phương pháp điều khiển công suất trượt mạch rotor thường được áp dụng cho các hệ truyền động công suất lớn vì khi đó việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn nhưng nó có nhược điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ không lớn lắm và mô men của động cơ bị khi tốc độ thấp. Một vấn đề nữa đối với các hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi động động cơ, thường dùng điện trở phụ để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy, nên áp dụng phương pháp này cho các hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít nhất. c. Điều khiển điện trở mạch rotor 12 Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thì ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểm của phương pháp này là dễ điều chỉnh, tuy nhiên nhược điểm của nó là gây tổn hao trên điện trở và mạch chuyển đổi van ở điện áp một chiều. Mặt khác khi điều chỉnh điện trở của mạch rotor thì độ trượt tới hạn cũng thay đổi theo, song trong một dải tốc độ nào đó thì mô men của động cơ tăng lên khi tăng điện trở, nhưng trong dải khác mô men của động cơ lại giảm đi. Trong phương pháp này nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mô men cũng không đổi và không phụ thuộc tốc độ động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương pháp này cho hệ truyền động có mô men không đổi. d. Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng động hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng, phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều nghành công nghiệp. Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các hệ truyền động của các nhóm máy dệt, băng tải, băng truyền...Phương pháp này còn được áp dụng trong cả những thiết bị đơn lẻ nhất là những thiết bị có công nghệ yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy mài, máy đánh bóng... Đặc biệt các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ và làm việc trong những môi trường nặng nề, tin cậy. Đó là những yêu cầu cần thiết trong hệ thống công nghiệp đang ngày càng phát triển. Trong hệ điều khiển tần số động cơ thì thông số điều khiển là tần số của điện áp đặt và stator. Nếu phụ tải có mô men là hằng số thì ta phải điều khiển cả điện áp để đạt được quy luật U/f = const. Nếu phụ tải có công suất là hằng số thì ta giữ nguyên điện áp đặt vào stator nhưng chỉ làm việc với dải tần số 13 f > fs. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp khác không có được là có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải và phát huy được dải điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức, phù hợp với các hệ truyền động yêu cầu tốc độ cao. Song phương pháp này có nhược điểm là hệ thống điều khiển phức tạp. Tuy nhiên, với ứngdụng của kỹ thuật vi xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều khiển cao. Chính vì vậy phương pháp này ngày càng được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ trong các hệ thống công nghiệp. e. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp. Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, ta có tốc độ của từ trường quay: 11 60fn = p (1.9) n = n1(1 – s) (1.10) Do đó khi thay đổi số đôi cực thì n1 sẽ thay đổi, vì vậy tốc độ của động cơ sẽ thay đổi. Để thay đổi số đôi cực p ta thay đổi cách đấu dây và cũng là cách thay đổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato động cơ. Khi thay đổi số đôi cực chú ý rằng số đôi cực ở stato và roto là như nhau. Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở roto cũng phải thay đổi theo nên rất khó thực hiện cho động cơ roto dây quấn. Phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở roto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ có nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp độ thì kích thước, trọng lượng và giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp độ. 14 Kết luận Từ các phương pháp trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Vì nó có thể điều khiển được nhiều loại động cơ khác nhau trong đó có cả động cơ điện một chiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng và liên tục. Nó còn được áp dụng nhiều trong các hệ truyền động chất lượng cao. Hơn nữa phương pháp điều khiển tốc độ bằng biến tần điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giản và thích hợp nhất. Nên phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điều khiển tốc độ gió cho hệ thống sấy nông sản trong phòng thí nghiệm. 1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng biến tần Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới với tần số công nghiệp (ở một số trường hợp là điện áp mạng hay nguồn độc lập tần số cao) thành điện áp (hoặc dòng điện) biến đổi nhiều pha có biên độ, tần số và số pha có thể thay đổi được trong phạm vi cho phép. Tốc độ động cơ không đồng bộ: 1 1 60fn n (1 s) (1 s) p = − = − (1.11) Trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; s là hệ số trượt của động cơ. Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ của động cơ n tỷ lên thuận với f1. Vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn. Riêng đối với động cơ rotor lồng sóc chỉ có thể điều chỉnh tần số mới thực hiện điều chỉnh trơn tốc độ trong phạm vi rộng. Đối với động cơ không đồng bộ nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở và điện cảm dây quấn stator ta có: 1 1 dq 1 1 1 1 U E 4,44k W f Uk f φ φ = ≈ ⇒ = 15 với: dq 1 1k 4,44k W = trong đó: W1 là số vòng dây stator; Kdq hệ số dây quấn Từ biểu thức trên ta thấy đồng thời với việc điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Bởi vì nếu điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp thì: Nếu giảm f1 thì φ của động cơ tăng lên làm cho mạch từ của động cơ bị bão hoà và dòng điện từ hoá Iμ lớn lên, tổn thất sắt trong lõi thép stator lớn làm cho động cơ phát nóng dữ dội, đôi khi có thể gây cháy động cơ. Nếu tăng f1 làm cho từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu động cơ có tải với mô men không đổi thì dòng điện rotor Ir tăng lên dẫn đến trong trường hợp này dây quấn rotor bị quá tải, cho mô men cho phép và khả năng quá tải cho phép của động cơ bị giảm đi. Để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng bộ biến tần người ta phải tiến hành điều chỉnh cả điện áp theo một hàm cho phù hợp với phụ tải. Việc điều khiển này có thể được thực hiện thông qua hệ thống kín khi đó nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng với một tần số cho trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải và các quy luật tải khác ta có các quy luật điều khiển. Nguyên tắc chung của các bộ biến đổi tần số là dùng khoá điện tử công suất điều khiển là transitor hay thyristor (gọi là các khoá điện tử). Thực chất của các nguyên tắc này là ở việc tổ chức các mối liên kết của các phần tử chủ yếu của bộ biến đổi và đóng cắt chúng bằng những quy luật (thuật toán) nào đó theo hàm thời gian để điều chỉnh dòng năng lượng ở đầu ra bộ biến đổi với tần số mong muốn. 16 Các bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có thể chia thành ba loại theo phương pháp chuyển mạch dòng điện giữa các khoá điện tử. 1- Bộ biến tần dùng khóa điện tử với chuyển mạch tự nhiên. 2- Bộ biến tần dùng van bán dẫn với chuyển mạch ngoài (chuyển mạch nhân tạo và chuyển mạch cưỡng bức). 3- Bộ biến tần dùng khoá điện tử với chuyển mạch hỗn hợp. Mặt khác, tùy theo cách liên hệ của phụ tải với năng lượng nguồn, chính xác hơn là theo kiểu biến đổi trung gian của điện áp sơ cấp (điện áp lưới), người ta chia ra ba loại bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử: 1- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều (các bộ biến đổi tần số kiểu nghịch lưu). 2- Các bộ biến tần trực tiếp (không có khâu trung gian dòng điện một chiều và các mạch vòng khác). 3- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao. 1.3 Ý nghĩa của việc dùng biến tần để điều khiển tốc độ gió của hệ thống sấy Việc điều chỉnh tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy được chuyển về việc điều khiển tốc độ động cơ quạt gió. Giữa tốc độ gió và tốc độ động cơ có quan hệ với nhau theo một hàm nào đó, hàm này sẽ được xác định bằng thực nghiệm. Tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy cần một dải tốc độ và ở mỗi tốc độ thì cần ổn định chúng. Việc sử dụng biến tần là thích hợp vì điều chỉnh tốc độ được liên tục, dải điều chỉnh rộng và việc điều chỉnh đơn giản. 17 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN 2.1 Biến tần áp 2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số không đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) với tần số có thể thay đổi được. Thông thường biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lưới điện nhưng về nguyên tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất kỳ nguồn điện áp xoay chiều nào. Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn. - Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi. - Có khă năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. Tuỳ theo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật mà có thể xác định được cấu trúc của hệ biến tần động cơ. Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp. Biến tần trực tiếp Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ biến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu). Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp Gọi là biến trực tiếp vì nó biến đổi nguồn vào xoay chiều có tần số f1 thành nguồn ra xoay chiều có tần số f2 một cách trực tiếp mà không cần qua Bộ biến đổiU ∼ f1 U ∼ f2 18 một khâu biến đổi trung gian nào cả. Nên hiệu suất của bộ biến đổi tần số loại này cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ. Nhược điểm của biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử là: hệ số công suất phía nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện áp ra, hệ thống điều khiển phức tạp và tần số ở đầu ra thấp. Tần số ra lớn nhất của bộ biến tần trực tiếp thấp hơn tần số lưới, số pha m1 ở mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tần số ra càng thấp bấy nhiêu. Để có tần số f2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng cao tần số cung cấp lên 150 ÷ 200 Hz hoặc là tăng số pha m1 lên đến 24 pha. Điều này không dễ dàng đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần số nguồn cung cấp là tiêu chuẩn và làm giảm đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, làm giảm tính ưu việt của bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử. Như vậy bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu có điều khiển. Sự chuyển mạch của các khoá điện tử công suất thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu cho các bộ biến tần loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biến tần trực tiếp dùng chuyển mạch ngoài. Sử dụng chuyển mạch ngoài trong các bộ biến tần loại này cho phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số đầu ra và mở rộng khả năng sử dụng của chúng. Biến tần gián tiếp Việc biến đổi điện áp lưới cung cấp được cung cấp hai lần. Đầu tiên, điện áp xoay chiều được nắn nhờ bộ chỉnh lưu thành điện áp một chiều, sau đó điện áp một chiều nhờ bộ nghịch lưu được biến đổi thành điện áp xoay chiều. Sơ đồ khối được biểu diễn trên Hình 2.2. U ∼ f2 Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu độc lập U ∼ f1 19 Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tùy theo phụ tải ở mạng tiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ lọc để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độc lập với nhau và có thể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo, bao gồm các nhóm: 1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp: bộ biến đổi đảo chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo. 2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn: trường hợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các phụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối tầng van không đồng bộ. 3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn. Khi đó cả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo. Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp. Nhược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hai lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khối lượng của nó. Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dòng điện xoay chiều một pha tần số cao. Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khoá điện tử này thì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ hơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyển mạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi 20 năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đại của tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần số điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và thường vào khoảng 50 – 60 Hz, nhưng về nguyên tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn. Bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việc biến đổi điện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được, thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùng chuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá phức tạp. Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong các bộ biến đổi dùng khoá điện tử. Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng. Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu. Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều. Đó là quá trình biến đổi hệ thống điện áp một chiều sang mạch xoay chiều nhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor). Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịch lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất chuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc. Nghịch lưu độc lập là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó không chứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra nghịch lưu. Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đó đến các thông số ở đầu ra nghịch lưu. 21 Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện xoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kể so với công suất mà nghịch lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tần số ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của nó, những thông số này hoàn toàn được xác định bởi các thông số của lưới mà nghịch lưu trả năng lượng lại. Tuỳ theo kiểu chuyển mạch nghịch lưu mà được chia ra làm hai nhóm: - Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên. - Các bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên của các khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu này thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu. Nghịch lưu độc lập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và việc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngoài (không phụ thuộc cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độ làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc với động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Chẳng hạn, ở chế độ máy điện một chiều, việc chuyển mạch của các khoá điện tử trong nghịch lưu phụ thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điều khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị trí roto. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là biến nghịch lưu độc lập thành nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn cung cấp hay không. Do tính độc lập về chế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra 22 thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng điện ở dầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa các khoá điện tử của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điều chỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thực hiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở đầu vào hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụng cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảm kháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áp trên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn giới hạn cho phép. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch lưu dòng điện lý tưởng khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có thể cho phép làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cần phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng trưởng của dòng điện khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại năng lượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp. Khả năng làm việc với tải có hệ số công suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có ưu việt hơn cả nhờ việc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên. 2.1.3 Các luật điều khiển tần số a) Luật điều khiển tần số theo khả năng quá tải Mô men cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mô men tới hạn Mth, khả năng quá tải về mô men được quy định: Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện...của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu 23 điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mô men là không đổi trong bằng hệ số quá tải về mô men λM. M M λ thM = Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (Rs=0) thì ta có: 2 22 s sm th 2 2 2 s rσ 0 0 U ULM k 2L L ω ω = = (2.1) với ω0 là tốc độ không tải Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là: dm thdmth M M M M M λ == (2.2) Thay (2.3) vào (2.2) ta được: dm0dm sdm 0 s M M ω U ω U = (2.3) Đặc tính cơ của máy công tác có dạng x dm 0 dmc ω ωMM ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= Thay phương trình trên vào phương trình (2.3) ta rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về mô men là không đổi là: ( ) 2x1*s*s 2 x1 sdm s 2 x1 0dm 0 sdm s fU f f ω ω U U + ++ =⇔ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= (2.4) • Khi x=0 tức là phụ tải có Mc=const thì: Us*=fs* ↔ Us/fs=const • Khi x=1 tức là phụ tải có công suất không đổi thì: Us*=(fs*)3/2 • Khi x=2 tức là phụ tải dạng bơm ly tâm và quạt gió thì: 24 Us*=(fs*)2 suy ra Us/fs2=const b) Luật điều chỉnh giữ từ thông không đổi Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ không đồng bộ. Trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số mà ta đã trình bày ở trên là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trên phạm vi toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thông động cơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc mô men tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao thì ta cần tìm cách bù từ thông. Từ phương trình mô tả mô men của động cơ không đồng bộ ta thấy, nếu giữ được từ thông của khe hở không khí hay từ thông stator không đổi thì mô men sẽ không phụ thuộc vào tần số và mô men tới hạn sẽ không đổi trong toàn dải điềi chỉnh. Nếu coi Rs = 0 thì: const ω U ω U ψ sdm sdm s s s === Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp thì sụt áp trên điện trở mạch stator đáng kể so với sụt áp trên điện cảm stator. Do đó từ thông cũng giảm đi và mô men tới hạn cũng giảm. Quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor như sau: 2 sr m r s )ω(T1L ψI += (2.5) Thực tế là khi giữ từ thông rotor không đổi ψr = ψrdm thì vec tơ dòng điện rotor và vec tơ từ thông rotor phải luôn vuông góc với nhau trong không gian. Mặt khác, do mô men điện từ là tích vec tơ của hai vec tơ này nên khi chúng vuông góc với nhau thì mô men trở thành tích của hai đại lượng. Do đó, từ biểu thức (2.5) ta thấy để điều chỉnh cho từ thông không đổi ta chỉ cần điều chỉnh dòng điện stator và tần số fs sao cho thoả mãn biểu thức trên. c) Luật điều khiển tần số trượt không đổi 25 Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở chế độ xác lập ta có phương trình: ( )2rr 2 sr r 2 m Tω1 Iω R L 2 3M += (2.6) trong đó: ωr=ωs-ω Vì vậy nếu giữ ωr=const thì M=f(Is2). Lấy đạo hàm của mô men M theo tốc độ ωr sau đó cho bằng 0 ta tìm được tốc độ ωr tới hạn và mô men tới hạn. 2 s rσ 2 m th r r rth I L L 4 3M L R ω = = Như vậy nếu giữ ωr=ωth=Rr/Lr=1/Tr thì mô men điện từ của động cơ sinh ra bằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng điện stator. Mặt khác vì ωr=2пfr nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tần số mạch rotor là hằng số. d) Điều chỉnh tần số bằng phương pháp véc tơ không gian Qua sự phân tích một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ nêu trên ta thấy, hầu hết các phương pháp đó đều có đặc điểm là không sử dụng các thiết bị phản hồi nên mặc dù đạt được sự tối ưu về giá thành song mục tiêu quan trọng là chất lượng điều khiển lại chưa đạt được độ chính xác cao. Sự định hướng của trường rotor không được sử dụng, trạng thái của động cơ bị bỏ qua, mô men không được điều khiển... Kỹ thuật điều khiển này gọi là điều khiển vô hướng. Mặt khác chúng ta đều đã biết động cơ không đồng bộ là thiết bị mang tính chất phi tuyến, mặc dù đã bỏ qua ảnh hưởng của bão hoà từ, tổn thất trong lõi thép và các thành phần sóng hài bậc cao nhưng chúng ta vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ vì quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ hết sức phức tạp. Phần cảm và phần ứng của động cơ có quan hệ chặt chẽ với nhau. Với mong 26 muốn làm sao chế ngự được hoàn toàn động cơ không đồng bộ đạt được chất lượng truyền động như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra một phương pháp điều khiển đó là phương pháp điều chế véc tơ không gian. Nội dung của phương pháp này là người ta biến các đại lượng véc tơ dòng điện, điện áp và từ thông từ hệ toạ độ ba pha về hệ toạ độ hai pha (dq), hệ toạ độ này quay đồng bộ với từ trường quay. Tiến hành điều khiển và khảo sát trên hệ toạ độ dq và khi có kết quả ta quy đổi ngược trở về hệ toạ độ ba pha để tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ biến tần bằng các thay đổi độ rộng xung (PWM). Hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tần số theo phương pháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng, có khả năng sinh mô men quay ở tốc độ thấp (thậm chí ở tốc độ 0) và điều chỉnh trơn một cách tuỳ ý. Tốc độ đạt được độ chính xác cao, đáp ứng mô men tốt. Xuất phát từ cơ sở đó hiện nay các nhà khoa học đã và đang đi sâu nghiên cứu để tìm ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhất cho động cơ không đồng bộ. Trong đó, phương pháp điều khiển tần số tựa theo từ thông rotor sẽ là một trong những hướng phát triển chính của hệ truyền động xoay chiều trong những năm tới. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và bán dẫn công suất, việc tính toán, đo các giá trị thực đã được gói trọn trên một bản mạch. Vấn đề chủ chốt của một hệ điều khiển vào lúc đó chỉ còn là thuật toán điều khiển. Như vậy nếu giải quyết được vấn đề trên thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ sẽ dần thay thế hệ truyền động động cơ một chiều trong hầu hết các lĩnh vực, kể cả công nghệ cao như hệ điều khiển chương trình người máy. Cũng từ đó ta dễ dàng phân lập các hệ truyền động để nâng cao chất lượng công nghệ. Như vậy ta đã góp phần vào vấn đề mấu chốt là kinh tế và chất lượng. 2.1.4 Bộ biến tần áp bán dẫn Có nhiều loại biến tần nhưng do giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu về 27 biến tần áp. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp là nghịch lưu mà ở dạng điện áp ở đầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các khoá điện tử trong nghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Khi nghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảm bảo khả năng trao đổi năng lượng phản kháng giữa tải và nguồn điện áp một chiều. Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở đầu vào nghịch lưu độc lập nguồn điện áp, còn sơ đồ đấu song song ngược với nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược. Điều này cho phép dòng điện chảy trong mạch tải lệch pha so với điện áp tải. Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực của bộ biến tần nguồn áp một pha dùng Transitor 28 Hình 2.4 Điện áp tải (u), dòng điện tải (i) và dòng nguồn(is) Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T2 và T4 đang cho dòng chảy qua ( dòng tải đi từ B đến A). Khi t = 0, cho xung điều khiển mở T1 và T3 , T2 và T4 bị khoá lại (do thiết bị chuyển mạch thực hiện). Dòng tải i = - Im không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D5 → E→ D7 → Z → D5 và suy giảm dần. D5 và D7 dẫn dòng khiến T1và T3 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Điện áp trên tải là U = E. Khi t = t1, i = 0, D1 và D3 bị khoá lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển tác động ở các cực điều khiển của T1 và T3, dòng tải i > 0 và tăng trưởng, chảy theo chiều từ A đến B. Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng. Khi t = T/2, cho xung điều khiển mở T2 và T4, T1 và T3 bị khoá lại. Dòng tải i chạy qua D6 và D8 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã khoá lại. Khi t = t3, i = 0, T2 và T4 sẽ mở lại, i < 0, chảy theo chiều từ B đến A, … Dòng tải i biến thiên theo theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và - Im. Biểu thức của dòng tải i 29 Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3, ta có phương trình: Ldi/dt + Ri = E , (2.7) di/dt + ai = a E/R Dưới dạng toán tử Laplace, ta có: pI(p) – i(0) + aI(p) = aE/Rp trong đó sơ kiện i(0) = - Im và a = R/L. Do đó ( ) atmat eIe1i RE −− −−= (2.8) Tương tự như vậy, khi cho xung mở T2 và T4 ta có phương trình: - Ldi/td – Ri = E Và i = ( ) ( ) m -a t-T/2 -a t-T/2E 1- e + I e R ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ (2.9) Dòng nguồn Chúng ta quy ước: is > 0 khi nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho tải, tức là khi các transitor dẫn dòng; is < 0 khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi, tức là các điot dẫn dòng. Dòng điện is là dòng điện xoay chiều dạng răng cưa. Chất lượng điện áp tải và dòng tải Điện áp tải có dạng “sin chữ nhật”, đối xứng. Nó là một hàm lẻ, chu kỳ. Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin: u = 4Eπ (sinωt + 1 3 sin3ωt + 1 5 sin5ωt+ …) (2.10) Biên độ của số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất. Mạch tải là động cơ nên gồm có thành phần R và L. Tổng trở của mạch tải liên quan đến bậc của sóng hài như sau: Zn = ( )22R + nωL 30 Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z5 > Z3 > Z1 nên biên độ sóng hài của dòng tải giảm nhanh so với sự suy giảm của biên độ sóng hài điện áp tải. Biên độ của số hạng thứ 3 của dòng tải chỉ còn bằng 5,4% biên độ của số hạng thứ nhất của nó. Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khai triển Fourier của điện áp tải để tính toán cũng khá chính xác. Sơ đồ điều biến độ rộng xung PMW (Pluse Width Modulation) Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo ra được dạng điện áp xoay chiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh hưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh được điện áp mà vẫn giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ rộng xung đáp ứng yêu cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này như sau: - Tạo một sóng dạng sin, ur, ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số mong muốn. - Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định, up, ta gọi là sóng mang, có tần số lớn hơn nhiều (thường là bội ba) tần số sóng điều biến. - Dùng một khâu so sánh ur và up. Các giao điểm của hai sóng này xác định khoảng phát xung điều khiển mở transitor công suất. Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại: - Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ± E. - Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số ± E. Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M, được gọi là tỉ số điều biến, M = Ar + Ap . Điều chỉnh Ar cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. 31 Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều chỉnh Ar ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải. a. Điều biến độ rộng xung đơn cực: Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một pha, tải R + L. Sơ đồ hoạt động như sau: Hình 2.5 Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực Transitor T1 được kích bởi xung điều khiển trong nửa chu kỳ dương của sóng điều biến up, còn transitor T4 trong nửa chu kỳ âm của ur. Dòng tải i chậm pha so với điện áp tải u. Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chạy từ nguồn E ra tải qua 2 transitor. Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot. 32 Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này và một điot của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn is = 0. Sóng hài trong điện áp tải Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ , điện áp tải u là một hàm chu kỳ, lẻ. Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin. Biên độ của sóng hài được tính theo công thức: Unm = ( ) π 0 2 E α sinθdθ π ∫ (2.11) Khi n = 1, ta có: U1m= 5 32 4 1 1 3 5 4 2 π-α π-αα α π-α α α α π-α π-α 2E sinθdθ + sinθdθ + sinθdθ + sinθdθ + sinθdθ π ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫ = [ ]1 2 3 4 54E cosα - cosα + cosα - cosα + cosαπ U2m ≈ 0 Khi n = 3, ta có: U3m= ( ) ( ) ( ) ( )( )5 3 12 4 1 3 5 4 2 3 π -α 3 π -α 3 π -α3α 3α 3α 3α 3α 3 π -α 3 π -α 2E sinΩdΩ + sinΩdΩ + sinΩdΩ + sinΩdΩ + sinΩdΩ π ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫ = [ ]1 2 3 4 54E cos3α - cos3α + cos3α - cos3α + cos3απ Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát như sau: Unm = ( ) i-11 1 k 4E -1 cosnα nπ∑ trong đó n = 1, 3, 5, … α1 là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k. αk là góc trạng thái cuối cùng trước π/2. Như vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để da tải không chứa các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có: 33 U3m = ( ) i-1k i i=1 4E -1 cos3α = 0 3π∑ , U5m = ( ) i-1k i i=1 4E -1 cosα = 0 5π∑ , U7m = ( ) i-1k i i=1 4E -1 cosα = 0 7π∑ b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực Trên hình 2.6 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực với tải L + R. Hình 2.6 Giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực Tỉ số điểu biến M > 1. Các transitor được điều khiển từng cặp T1, T3 và T2, T4. Nguồn E luôn luôn được nối với tải thông qua hoặc T1, T3, hoặc T2, T4, do đó điện áp tải gồm một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, không có những khoảng u = 0. Sóng hài trong điện áp tải 34 Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm chu kỳ, lẻ, chỉ chứa các thành phần sin. Biên độ sóng hài được tính theo công thức (2.11): U1m = 2 2 2 1 1 2 2 1 α α π -α π -α π 0 α α π -α π -α 2E sinθdθ - sinθdθ + sinθdθ - sinθdθ + sinθdθ π ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫ [ ]1 24E= 1- 2cosα + 2cosαπ U2m = 0 [ ]3 m 1 24EU 1 2cos3 2cos33= − α + απ Biểu thức tổng quát của biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xung lưỡng cực: ( )k i 1nm i i 1 4EU 1 2 1 cos n − = ⎡ ⎤= − − α⎢ ⎥π ⎣ ⎦∑ khi u bắt đầu bằng một xung dương ( )k i-1nm i i=1 4EU = -1+ 2 -1 cosα nπ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦∑ khi u bắt đầu bằng một xung âm. Đối với trường hợp đang xét, muốn loại trừ sóng hài bậc 3 và 5 cần phải có: 1-2cos 3α1 + 2cos 3α2 = 0 1-2cos 5α1 + 2cos 5α2 = 0 Bằng phương pháp tính gần đúng tìm được α1 = 23o616, α2 = 33o3. Như vậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Có thể xem: 4Eu = sinω t π Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực 35 tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô cùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng khoá điện tử có khả năng làm việc với phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở động cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sự tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạn bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điện trong khoá điện tử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp chỉ có thể đạt được trong trườ